第五章 结构单调加载静力试验

第五章结构单调加载静力试验5．1概述建筑结构单调加载静力试验是结构试验中最基本最大量的一种试验。

单调加载静力试验是指在短时期内对试验对象进行平稳地一次连续施加荷载，荷载从“零”开始一直加到结构构件破坏，或是在短时期内平稳地施加若干次预定的重复荷载后，再连续增加荷载直到结构构件破坏。

单调加载静力试验主要用于模拟结构承受静荷载作用下观测和研究结构构件的强度、刚度、抗裂性等基本性能和破坏机制。

建筑结构中大量的基本构件试验主要是承受拉、压、弯、剪、扭等最基本作用力的梁、板、柱和砌体等一系列构件，通过单调加载静力试验研究在各种力的要素的单独或组合作用下构件的荷载和变形的关系。

对于混凝土构件还有荷载与开裂的相关关系和反映结构构件变形与时间关系的徐变问题。

对于钢结构构件则有比之其他构件更为突出的局部或整体失稳问题。

对于框架、连续梁、单层厂房排架、屋架、壳体、折板和网架等由若干基本构件组成的扩大构件，在实际工程中除了有需要研究与基本构件相类似的问题外，尚有构件间相互作用的次应力、内力重分布等问题。

对于整体结构通过单调加载静力试验能揭示结构空间工作，整体刚度，非承重构件和某些薄弱环节对结构整体工作的影响。

随着大量工程实践和为编制各类结构设计规范而进行的试验研究，为结构单调加载静力试验积累了许多经验，试验技术与试验方法已趋成熟。

我国建国以来第一本完整反映钢筋混凝土和预应力混凝土结构试验方法的国家标准<<混凝土结构试验方法标准》已经编制完成并颁布施行。

它既统一了量大面广的生产检验性试验方法，又对一般性科研试验方法提出了基本要求，对生产和科研有广泛的实用性，是一本具有中国特色的混凝土结构试验方法标准，它将有利于促进结构工程质量的提高和建筑结构学科的发展。

5．2结构单调加载静力试验的加载制度试验加载制度指的是试验进行期间荷载与时间的关系。

正确制订试验的加载制度和加载程序，才能够正确了解结构的承载能力和变形性质，才能够将试验的结果相互进行比较。

试验加载的数值及加载程序取决于不同的试验对象和试验自的。

科学研究与生产鉴定的结构构件试验一般均需作破坏试验，为了充分研究结构的工作情况，试验加载常是分级并按几个循环进行，最后才加载至结构破坏。

混凝土结构构件设计时，是按不同的荷载效应组合设计值来验算结构的承载力、变形、抗裂性以及裂缝宽度等性能。

因此在进行混凝土结构试验时就必须按试验的性质和要求分别确定相应于各个受力阶段的试验荷载值。

如在试验结构构件的刚度和裂缝宽度时，要确定正常使用极限状态试验荷载值，根据荷载作用时间的不同，又可分为使用状态短期试验荷载值和长期试验荷载值；在试验结构构件抗裂性时，要确定开裂试验荷载值；在试验结构构件承载力时，要确定承载能力极限状态试验荷载值。

对生产鉴定性试验各种不同的试验荷载值可按《混凝土结构试验方法标准》（GB50152—92）和《预制混凝土构件质量检验评定标准）（GBJ321—90）要求进行计算。

对于科研性试验由于不一定是针对某一具体工程的荷载情况来设计试件，因此要根据材料的实测强度、构件的实测几何参数来计算承载能力极限状态的内力计算值和试验荷载值。

图5－1是一个典型的单调静力试验的加载程序。

即先分级加载到试验需要相应的试验荷载值，然后在满载情况下停留足够长的时间，观测变形的发展，以后再作分级卸载，卸完后给以一定的空载时间，最后再分级逐步加载至结构破坏。

采用分级加载一方面可控制加载速度，另一方面便于观测结构变形随荷载变化的规律，了解结构各个阶段的工作性能。

从操作上来看，分级加卸荷载也为加载和观测提供了方便的条件。

荷载量分级大小（级距）和分级的多少，可根据试验目的，试验期限和结构类型来确定。

对于混凝土结构试验，在达到使用状态短期试验荷载值以前，每级加载值不宜大于其荷载值的20％，在超过其使用状态短期试验荷载值后，每级加载值不大于其荷载值的10％。

为了较为准确地获得结构开裂荷载的实测值，在加载达到开裂试验荷载计算值的90％以后，应将级距减小，每级加载值不宜大于使用状态短期试验荷载值的5％。

当试件开裂后，每级加载值应恢复到上述20％的级距。

为了能准确地测得混凝土结构的破坏荷载，对于生产检验性试验时，当加载接近承载力检验荷载时，每级荷载不宜大于承载力检验荷载设计值的啦；对于科学研究性试验，在加载达到承载力试验荷载计算值的90％以后，每级加载值同样不宜大于使用状态短期试验荷载值的5％。

试验加载分级的大小还决定于控制量测仪表的精度。

卸载时，级距可以放大，可取使用状态短期试验荷载值的20％～50％。

分级加载级间间歇时间t；的长短取决于结构变形发展情况，即要求在试验分级加载的时间间歇内结构的变形基本上能充分地反映出来。

如果间歇时间过短，结构的变形未能充分反映，就会得到偏小的变形数值，在进行破坏试验时，就会得到偏高的极限荷载实测值，影响试验结果的正确性。

混凝土结构试验时从加载结束到下一级开始加载，每级荷载的间歇时间不应少于10min，在上述间歇时间内同时进行结构反应的量测。

钢结构试验时，间歇时间可少于10min。

在实际试验中，间歇时间也可根据观测仪表所指示的变化来决定。

只有当某级荷载作用下的变形基本稳定后，再递加下一级荷载。

卸载时的时间间歇t3可以与t1一样，也可以缩短。

混凝土结构为了检验结构的刚度和抗裂性能，设计要求按正常使用权限状态对变形和裂缝宽度进行验算。

为此，对于要求试验变形和裂缝宽度的构件，要求在使用状态短期试验荷载作用下进行恒载试验，恒载持续时间t2不应少于30min。

在开裂试验荷载作用下，构件裂缝的出现与荷载持续时间有关。

对科研性试验，要求在开裂试验荷载计算值作用下恒载持续30min；对于生产鉴定性试验应不少于10min，如果在施加开裂试验荷载前已经出现裂缝，则可不必进行恒载。

对于新结构或跨度大于12m的屋架、行架及薄腹梁，为了结构安全．在使用状态短期荷载作用下恒载时间不宜小于12h。

在恒载持续时间内，应定时连续观测结构的变形与裂缝发展情况。

如果变形继续增长并无稳定趋势时，还应延长恒载时间，直至变形发展稳定。

结构构件受荷载作用后的残余变形是说明结构工作性能的重要指标。

因此在试验过程中还应观测结构卸载后变形恢复能力和残余变形的数值。

为了使卸载后结构变形的充分恢复，试验要求有一定的空载持续时间t4，一般为慎载时间的1．5倍，对于一般混凝土构件为45min，对于新结构或跨度大于12m的构件为18h。

为了了解结构变形恢复过程，在空载试验期间，也须定时观测记录。

在结构进行正式加载试验前，一般均需要对结构进行预载试验。

预载的目的首先是使结构进入正常的工作状态，特别是对尚未负载的新结构构件，如木结构在制造时节点与结合部位难免存在缝隙，经过预载可使其进一步密实；钢筋混凝土构件要经过若干次荷载重复加卸循环后，变形与荷载的关系才趋于稳定。

其次，通过预载可以检查现场的试验组织工作和人员工作情况，检查全部试验装置和荷载设备的可靠性，对整个试验起演习作用。

通过预载试验发现的问题，都必须逐一认真加以解决。

预载试验所用的荷载一般是分级荷载的l～2级。

由于混凝土结构构件抗裂试验的结果离散性较大，因此预载值应严格控制不使结构开裂，预载时的加载值不宜超过该试件开裂试验荷载计算值的70％。

最后在整个试验加载过程中尚应注意考虑结构自重的影响，应作为试验荷载的一部分。

此外，作用在结构上的加载设备的重力，应在施加的荷载中扣除，且不宜大于使用状态试验荷载的20％。

5．3基本构件的单调加载静力试验5.3．1受弯构件的试验一、试件的安装和加载方法单向板和梁是受弯构件中的典型构件，同时也是建筑中的基本承重构件。

预制板和梁等受弯构件一般都是简支的，在试验安装时都采用正位试验，其一端采用铰交承，另～端采用滚动支承。

为了保证构件与克承面的紧密接触，在支墩与钢板，钢板与构件之间应用砂浆找平，对于板这样宽度较大的试件，要防止与避免支承面产生翘曲。

板一般是承受均布荷载，试验加载时应将荷载施加均匀。

当用重力直接加载时，应在板面上划分区植，表示出荷载安放的位置并堆放成垛，每垛之间应留有间隙，避免因构件受载弯曲后由于荷载间相互作用产生起拱作用，形成荷载传递不够明确，以致改变试件受教后的工作状态。

梁所受的荷载较大，当施加集中荷载时可以用杠杆重力加教，史方便的常用液压加载器通过分配梁予以分散，或用液压加载系统控制多台加载器直接加载。

构件试验时的荷载图式应符合设计规定和实际受我情况。

当试验荷载的布置图式不能完全与设计的规定或实际情况相符时，或者为厂试验加载的方便及受加裁条件限制时，可以采用等效的原则进行换算，即使试验构件的内力图形与设计或实际的门力图形和等或接近，并使两者最大受力截面的内力值相等，在这条件下求得试验等效荷载。

在受弯构件试验中经常是用几个集中荷载来代替均布荷载，如图5－2（b）所示采用在跨度四分点加两个集中荷载的方式来代替均有荷载，并取试验梁的跨中弯矩等于设计弯矩时的荷载作为梁的试验荷载，这时支座截面的最大剪力也可以达到均有荷载梁的剪力设计数值。

如能采用四个等距集中荷载来进行加载试验时，则将可得到更为满意的结果。

见图5-2（C）所示。

当采用上列等效荷载试验时能较好地满足M与V值的等效，但试件的变形，即刚度不一定满足等效条件，此时应考虑进行修正。

按同样原则也可求得变形相等的等效荷载。

对于吊车梁的试验，由于它主要的荷载是市车轮正所产生的集中荷载，试验时的加载图式要按抗弯抗剪最不利的组合来决定集中荷载的作用位置分别进行试验。

二、试验项目和测点布置钢筋混凝土梁板构件的牛产鉴定性试验一般只测定构件的强度、抗裂度和各级荷载作用下的挠度及裂缝开展情况。

牛产性试验一般不测量应力。

对于科学研究性试验，除厂强度、抗裂度、挠度和裂缝观测外，还测量构件某些部位的应力，以分析构件中该部位的应力大小和分布规律。

1．挠度的测量梁的挽度值是量测数据中最能反映其总的工作性能的一项指标，因为梁的任何部位的异常变形或局部破坏（开裂）都将通过挽度或在挠度曲线中反映出来。

对于梁式结构最主要f及弹性挠度曲线。

的是测定跨中最大挠度值maxf，试验者必须注意支座沉陷的影响。

对于图5－3（a）所示为了求得梁的真正挽度max的梁，在试验时由于荷载的作用，其两个端点处支座常常会有沉陷，以致使梁产生刚性位移，因此，如果跨中的挽度是相对地面进行测定的话，则同时还必须测定梁两端支承面相对同一地面的况陷值，所以最少要布达三个测点。

值得注意的是，支座下的巨大作用力可能成多或少地引起周围地基的局部沉陷，因此，安装仪器的表架必须离开支座墩子有一定距离。

只有在水久性的钢筋混凝土台座上进行试验时，上述地基沉陷才可以不予考成。

但此时两端部的测点可以测量梁端相对于支座的压缩f。